天津港大霧天氣氣候特征分析

卜清軍，徐靈芝，侯 敏

(天津市濱海新區(qū)氣象局 天津300457)

0 引 言

天津港作為世界級(jí)綜合性樞紐港，在國(guó)家“一帶一路”和京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略下，迎來(lái)巨大的發(fā)展契機(jī)。新形勢(shì)下港口物流面臨新的機(jī)遇、優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)，對(duì)港口物流發(fā)展也提出新的發(fā)展策略。港口建設(shè)涉及到諸多自然環(huán)境的影響，其中氣象條件是主要因素之一，無(wú)論是海霧、降水，港口大風(fēng)都對(duì)港口工程建設(shè)、港口規(guī)劃、港口營(yíng)運(yùn)等產(chǎn)生極大的影響。霧是指懸浮在近地層大氣中的大量微細(xì)乳白色水滴或冰晶的可見(jiàn)集合體[1]，在低層大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，水氣的增加及溫度的降低使近海面的空氣逐漸達(dá)到飽和或過(guò)飽和狀態(tài)，水氣凝結(jié)物懸浮在空中，致使海面能見(jiàn)度下降[2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)海霧的研究較多。傅剛等[3]研究了中國(guó)近海特別是黃海和東海北部海域的海霧；黃彬等[4]對(duì)黃海海霧的氣候特征和氣象水文要素特點(diǎn)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析；徐燕峰等[5]研究了舟山海域春季海霧的發(fā)生規(guī)律和成因分析。本文收集渤海灣天津港歷史氣象觀測(cè)資料，研究大霧天氣發(fā)生與成災(zāi)的特點(diǎn)，旨在為加強(qiáng)港口營(yíng)運(yùn)做好氣象服務(wù)。

1 資料與方法

為研究天津沿海霧的氣候特征選擇的站點(diǎn)為沿海 4 個(gè)觀測(cè)站，分別為塘沽站(39°03′ N，117°43′ E)、漢沽站(39°14′ N，117°46′ E)、大港站(38°51′ N，117°28′ E)和渤海埕北石油 A 平臺(tái)觀測(cè)站(38°27′ N，118°25′ E)。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 27964—2011《霧的預(yù)報(bào)等級(jí)》，根據(jù)能見(jiàn)度將霧分為 5個(gè)等級(jí)，分別為輕霧、大霧、濃霧、強(qiáng)濃霧和特強(qiáng)濃霧，能見(jiàn)度 V＜50m 為特強(qiáng)濃霧；50m≤V＜200m 為強(qiáng)濃霧；200m≤V＜500m 為濃霧；500m≤V＜1000m 為大霧；1000m≤V＜10000m 為輕霧。在霧的觀測(cè)業(yè)務(wù)中，與霾加以區(qū)分，引入相對(duì)濕度條件，定義能見(jiàn)度V＜1000m 且相對(duì)濕度 RH≥90%為霧，1000＜V＜10000m且60%＜RH＜90%為輕霧。

研究天津港霧的氣候特征采用1980—2017年歷史資料。霧日數(shù)界定以 20:00為日界，一日內(nèi)有 1次或以上大霧記錄，計(jì)為 1個(gè)霧日，對(duì)跨越 20:00的霧記為 2個(gè)霧日。霧持續(xù)時(shí)間，一日中當(dāng)大霧間隔時(shí)間在4h以?xún)?nèi)的，按一次霧統(tǒng)計(jì)，持續(xù)時(shí)間累計(jì)，一日中霧的間隔時(shí)間在 4h以上時(shí)，就定義為另一次霧，將跨越20:00的同一場(chǎng)霧作為一次連續(xù)霧過(guò)程處理，霧持續(xù)時(shí)間、連續(xù)霧日數(shù)均跨月、跨年統(tǒng)計(jì)。

2 大霧天氣氣候特征

2.1 空間分布特征

天津沿海大霧日數(shù)的分布呈南北分布不均的特點(diǎn)(表1)。北部漢沽自1 9 8 0—2 0 1 7年3 8年間共發(fā)生1 0 4 4個(gè)霧日，年平均霧日數(shù) 2 8.0 d；中部天津港沿岸塘沽自1 9 8 0—2 0 1 7年3 8年間共發(fā)生6 0 8個(gè)霧日，南部大港氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)運(yùn)行始于1 9 8 6年，統(tǒng)計(jì)3 2年間共發(fā)生 6 7 6個(gè)霧日。沿海南部霧日多發(fā)，大港年平均霧日數(shù) 29.5d，中部塘沽較少，年平均霧日數(shù) 16.2d，北部漢沽年平均霧日數(shù)28.0d。

表1 1980—2017年天津沿海霧日數(shù)分布(單位：d)Tab.1 Distribution of foggy days in Tianjin from 1980 to 2017(unit：day)

2000—2017年，沿海大霧發(fā)生頻次呈北多南少的分布特征，北部漢沽發(fā)生大霧日數(shù) 502d，中部塘沽大霧日數(shù)281d，南部大港大霧日數(shù)235d(圖1)。

圖1 天津港沿岸各站大霧頻次變化Fig.1 Frequency changes of heavy fog at stations along Tianjin Port

2.2 年際變化特征

自 2000年以來(lái)大霧日數(shù)呈波動(dòng)性減少(圖 2)，減少速率為 0.1d/a，2000—2017年大霧日數(shù)為281d，年平均霧日 15.6d，期間霧日數(shù)出現(xiàn)較多的年份有4個(gè)峰值為2007年、2006年、2016和2003年，霧日分別為 28、27、24、21d，其中 3個(gè)峰值出現(xiàn)在2010年以前。從大霧發(fā)生時(shí)數(shù)來(lái)看，呈上升趨勢(shì)，上升速率為 4.0h/a，2000—2017年大霧總時(shí)數(shù)為2237h，18年來(lái)年平均時(shí)數(shù)為 124.3h，期間出現(xiàn)了4個(gè)年霧時(shí)較多的峰值，年霧時(shí)數(shù)最多出現(xiàn)在2016年，高達(dá)279h，其次為2007年219h，2013年和2015年也比較多，分別為192h和187h，其中3個(gè)峰值出現(xiàn)在 2010年以后。對(duì)比前文分析大霧天氣日數(shù)變化呈緩慢減少趨勢(shì)，反映出連續(xù)性大霧或長(zhǎng)生命史大霧天氣這種極端天氣事件的頻率有所增加。

圖2 天津港2000—2017年大霧發(fā)生頻次時(shí)間序列Fig.2 Time series of frequency of heavy fog occurrence in Tianjin Port from 2000 to 2017

2.3 季節(jié)變化特征

沿海一年四季都有霧出現(xiàn)，但又呈明顯的季節(jié)性特點(diǎn)。自 2000年以來(lái)，天津港沿岸霧出現(xiàn)時(shí)間主要集中在冬季，占 52.6%，其次為秋季，占 33.5%(圖3a)；近海霧也是冬季最多，占 43.5%，其次為春季，占 24.3%(圖 3b)。與沿岸霧不同的是，近海霧在夏季發(fā)生的頻率也較高，為 20.8%，接近春季，而沿岸霧在夏季非常少，僅占 3.9%。由此可見(jiàn)沿岸霧多發(fā)生在秋冬季，每年12月和1月為全年大霧出現(xiàn)最多月份；近海霧多發(fā)生在冬春季，每年1月和2月最多。

圖3 沿岸霧和近海霧的季節(jié)分布Fig.3 Seasonal distribution of coastal fog(a)and offshore fog(b)

沿海霧的形成需要兩個(gè)條件：一是降溫，二是增濕。沿岸夏季霧日少，究其原因，A平臺(tái)溫度低于塘沽站，沿岸平均相對(duì)濕度在 80% 以上，僅相對(duì)濕度的增大不會(huì)導(dǎo)致霧日的增多，由于海氣溫差較高，空氣的飽和水汽壓增大，反而難于達(dá)到飽和而不利于霧的生成；而沿岸秋季霧日多，平均氣溫為 14～18℃，此時(shí)的海表溫度仍偏高，海氣溫差適宜，因此最有利于霧的形成。

2.4 日變化特征

沿海大霧有明顯的日變化特征，霧生頻次變化呈單峰類(lèi)型(圖 4)。霧的日變化各個(gè)季節(jié)有所不同，春季大霧集中出現(xiàn)在03:00～09:00，這7個(gè)小時(shí)的霧頻次占全天的 56.3%，峰值出現(xiàn)在早上 07:00，其次為 06:00，出現(xiàn)大霧頻次最少的時(shí)間段為 12:00～20:00；夏季大霧集中出現(xiàn)在 04:00～06:00，這 3個(gè)小時(shí)的霧頻次占全天的 35.0%，峰值出現(xiàn)在早上05:00，其次為 04:00和 06:00，出現(xiàn)大霧頻次最少的時(shí)間段為 11:00～18:00；秋季大霧集中出現(xiàn)在05:00～09:00，這 5個(gè)小時(shí)的霧頻次占全天的43.5%，峰值出現(xiàn)在早上 07:00，其次為 06:00和08:00，出現(xiàn)大霧頻次最少的時(shí)間段為 13:00～19:00，均低于10次；冬季大霧集中出現(xiàn)在03:00～10:00，這8個(gè)小時(shí)的霧頻次占全天的 50.5%，峰值出現(xiàn)在早上07:00，其次為 08:00和 09:00，出現(xiàn)大霧頻次最少的時(shí)間段為14:00～20:00。

圖4 逐年累積大霧日變化特征Fig.4 Characteristics of daily variation for year-to-year cumulative fog

2.5 強(qiáng)度分布特征

不同強(qiáng)度的霧發(fā)生的頻次各不相同，從小時(shí)數(shù)看(圖 5a)，2005—2017年，發(fā)生大霧時(shí)間最長(zhǎng)，為625h，其次為強(qiáng)濃霧 424h，濃霧和特強(qiáng)濃霧時(shí)數(shù)分別為 416h和 202h。從年際變化看，大霧年平均48.1h，近年呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，增長(zhǎng)速率 7.1h/y，峰值發(fā)生在最近的3年，最多為2015年139h，其次是2016年和2017年分別為132h和 65h；濃霧年平均 32.0h，也呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，增長(zhǎng)速率1.6h/a，峰值出現(xiàn)在2016年63h；強(qiáng)濃霧年平均 32.6h，近年變化比較平穩(wěn)，略有減少趨勢(shì)，速率為 0.1h/a；特強(qiáng)濃霧年平均 15.5h，趨勢(shì)明顯減少，減少速率為 1.5h/a，2007年為最多，高達(dá) 65h，此后近十年每年維持在 5～26h之間，2017年未出現(xiàn)小于50m的特強(qiáng)濃霧。

從日數(shù)看(圖 5b)，2005—2017年發(fā)生的大霧時(shí)間最長(zhǎng)，為 68d，其次為強(qiáng)濃霧 57d，濃霧和特強(qiáng)濃霧日數(shù)分別為 49d和 27d。年際變化，大霧年平均5.2d，呈減少趨勢(shì)，減少速率 0.4d/a。這與大霧小時(shí)數(shù)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)相反，也說(shuō)明了在所有 1000m以下霧的趨勢(shì)變化呈小時(shí)數(shù)增加而日數(shù)減少這一特征中，500～1000m的大霧貢獻(xiàn)最大。大霧發(fā)生最多的年份出現(xiàn)在2006年，為12d，其次為2007年為8d；濃霧年平均 3.8d，也呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，增長(zhǎng)速率 0.1d/a，峰值出現(xiàn)在2009、2013年和2015年，均為7d；強(qiáng)濃霧年平均 4.4d，與小時(shí)數(shù)呈減少趨勢(shì)相反，日數(shù)呈增加趨勢(shì)，速率為 0.2d/a，最多出現(xiàn)在 2014年為 11d；特強(qiáng)濃霧年平均 2.1d，與小時(shí)數(shù)變化一致，呈減少趨勢(shì)，減少速率為0.2d/a，在2007年為最多，為8d。

圖5 天津港不同強(qiáng)度霧發(fā)生頻次Fig.5 Frequency of occurrence of different intensity fogs in Tianjin Port

2.6 持續(xù)時(shí)間分布特征

將霧的持續(xù)時(shí)間 T分為 5個(gè)等級(jí)：0＜T≤3h，3h＜T≤6h，6h＜T≤12h，12h＜T≤24h，T＞24h。分析不同等級(jí)霧的發(fā)生頻次(圖 6a)，出現(xiàn)頻次最多的是時(shí)長(zhǎng)為6～12h的霧，共出現(xiàn)73次占28.7%，其次時(shí)長(zhǎng)為0～3h的霧，頻次為71次占27.8%，3～6h的霧為 63次占 24.7%，可見(jiàn)持續(xù)時(shí)長(zhǎng) 6～12h的霧居多。雖然 T＞24h的霧頻次較小，僅占 4.3%，但由于此類(lèi)長(zhǎng)時(shí)間的霧會(huì)給交通帶來(lái)極大的影響，所以這部分霧仍需要引起足夠的重視，如2016年12月18日至22日連續(xù)93h的大霧。

從大霧連續(xù)日數(shù)的頻次分布看(圖 6b)，霧出現(xiàn)的頻次隨著連續(xù)霧日數(shù)的增加而減少，連續(xù) 2d出現(xiàn)的霧36次，連續(xù)3d出現(xiàn)的霧13次，連續(xù)4d和連續(xù)5d出現(xiàn)的霧均為4次，連續(xù)6d出現(xiàn)的霧有1次，出現(xiàn)在2002年12月13日至18日。2016年12月31日至2017年1月4日連續(xù)5d出現(xiàn)大霧，大霧持續(xù)時(shí)間 69h。

圖6 霧持續(xù)時(shí)間分布Fig.6 Distribution of fog duration

3 典型強(qiáng)濃霧天氣分析

3.1 天氣實(shí)況及天氣背景

2016年12月31日至2017年1月4日天津港連續(xù) 5d出現(xiàn)強(qiáng)濃霧天氣(圖 7)。具體時(shí)間分別為12月 31日 18:12～20:00出現(xiàn)強(qiáng)濃霧，最小能見(jiàn)度124m；31日20:00至1月1日20:00出現(xiàn)強(qiáng)濃霧，最小能見(jiàn)度 71m；1日 20:00至 2日 09:19出現(xiàn)強(qiáng)濃霧，最小能見(jiàn)度150m；2日20:00至3日11:05出現(xiàn)強(qiáng)濃霧，最小能見(jiàn)度為 156m；3日 20:00至 4日13:13出現(xiàn)強(qiáng)濃霧，最小能見(jiàn)度 75m。前期天氣背景有輕霧，1～2日出現(xiàn)微量降雪，3日夜間出現(xiàn)微量降雪。

3.2 天氣形勢(shì)分析

2016年12月31日08:00受高空淺槽后部西北氣流控制，850hPa為干暖平流，自地面至934hPa存在逆溫層，1000hPa及以下相對(duì)濕度超過(guò)80%，探空曲線(xiàn)有逆溫層和喇叭口，有利于大霧天氣出現(xiàn)。1月1日 850hPa受干暖平流影響，存在切變線(xiàn)，自1000hPa至 911hPa存在逆溫層，978hPa及以下相對(duì)濕度達(dá) 92%。2日以后處于高空槽后西北氣流控制，自地面至 983hPa存在強(qiáng)烈逆溫，逆溫強(qiáng)度高達(dá)12℃，近地層相對(duì)濕度達(dá) 92%(圖 8)。3日逆溫層增厚至 925hPa逆溫強(qiáng)度 10℃，1000hPa以下相對(duì)濕度超過(guò) 80%。4日 850hPa受反氣旋環(huán)流控制，逆溫層降至 972hPa，強(qiáng)度達(dá) 11℃。前期高空淺槽和低空切變線(xiàn)影響下，出現(xiàn)降雪，降雪過(guò)后近地層相對(duì)濕度較大，且邊界層存在強(qiáng)烈逆溫，出現(xiàn)了大霧和降雪同時(shí)出現(xiàn)的現(xiàn)象。

圖7 逐時(shí)能見(jiàn)度及相對(duì)濕度Fig.7 Visibility and relative humidity hourly

地面1月1日08:00地面處于冷鋒前部，西風(fēng)為主，存在地面中尺度輻合線(xiàn)，風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng)轉(zhuǎn)東北風(fēng)，平均風(fēng)速在 1～2級(jí)，相對(duì)濕度 99%。在高空淺槽和低空切變線(xiàn)影響下，地面出現(xiàn)降雪，降雪過(guò)后相對(duì)濕度較大，且探空曲線(xiàn)有逆溫層和喇叭口，有利于大霧天氣維持。2日相對(duì)濕度保持在 99%，風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，十分鐘平均風(fēng)速1～2級(jí)。3日地面處于低壓后部高壓前部(冷鋒前)，西南風(fēng)影響，存在地面中尺度輻合線(xiàn)，維持至4日。

3.3 霧對(duì)天津港的影響

圖8 2017年1月2日08時(shí)天氣形勢(shì)Fig.8 Synoptic situation at 08：00 on January 2，2017

受大霧天氣影響，天津港船舶進(jìn)出港動(dòng)態(tài)受到嚴(yán)重影響，自2016年12月31日至2017年1月4日，天津港采取交通管制措施，封航 83.8h。受影響船舶動(dòng)態(tài)共有 615艘次，其中包括“地中海抒情”輪、“天仁”輪等客輪14艘次，遠(yuǎn)洋輪19艘次。天津港封港、停止作業(yè)，集裝箱礦產(chǎn)品嚴(yán)重滯港，導(dǎo)致天津港集裝箱有色礦集中到港、集中卸船，船舶壓港嚴(yán)重，最終導(dǎo)致進(jìn)口商遭受 7800萬(wàn)滯箱費(fèi)等損失。因滯箱費(fèi)受損失的有貿(mào)易商、大型鋼鐵企業(yè)、礦產(chǎn)公司等。因大霧“抒情號(hào)”郵輪拋錨天津港外水域，致使2017年1月31日既定航班被迫取消，千余名旅客被滯留天津東疆港國(guó)際郵輪碼頭。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)天津沿海氣象站大霧觀測(cè)歷史氣候資料統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合典型強(qiáng)濃霧天氣過(guò)程分析，得到以下結(jié)論：

①天津沿海大霧日數(shù)分布南北不均。南部霧日多發(fā)，中部塘沽較少。但進(jìn)入21世紀(jì)，大霧發(fā)生頻次呈北多南少的分布特征。

②大霧年際變化從發(fā)生頻次看有兩個(gè)特征，一是大霧天氣日數(shù)呈減少趨勢(shì)，二是大霧天氣時(shí)數(shù)呈上升趨勢(shì)，表明連續(xù)性大霧或長(zhǎng)生命史大霧這種極端天氣事件的頻率有增加的趨勢(shì)。天津港大霧天氣有明顯的季節(jié)性特點(diǎn)，沿岸霧多發(fā)生在秋冬季，占 86.1%，每年 12月和 1月為大霧多發(fā)月份，近海霧多發(fā)生在冬春季，每年1月和2月最多。大霧天氣日變化特征呈單峰類(lèi)型，峰值集中在早晨 06:00～08:00，各季有所不同，春季大霧集中出現(xiàn)在 06:00～07:00，夏季較早，大霧集中出現(xiàn)在 04:00～06:00，秋季大霧集中出現(xiàn)在 06:00～07:00，冬季稍晚，大霧集中出現(xiàn)在07:00～08:00，除夏季大霧峰值出現(xiàn)在早上05:00外，春、秋、冬三季峰值均出現(xiàn)在早上 07:00。午后14:00～19:00為少霧時(shí)段。

③不同強(qiáng)度的霧發(fā)生的頻次各不相同，其中大霧頻次最多，年平均 5.2d，其次為強(qiáng)濃霧年平均 4.4d，濃霧年平均 3.8d，特強(qiáng)濃霧年平均 2.1d。大霧頻次呈減少趨勢(shì)，減少速率 0.4d/a，這與大霧小時(shí)數(shù)呈增加趨勢(shì)相反，表明在所有 1000m以下霧的趨勢(shì)變化呈小時(shí)數(shù)增加而日數(shù)減少這一特征中，500～1000m的大霧貢獻(xiàn)最大；濃霧也呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，速率 0.1d/a；強(qiáng)濃霧的小時(shí)數(shù)呈減少趨勢(shì)，但日數(shù)呈增加趨勢(shì)，增加速率為 0.2d/a；特強(qiáng)濃霧呈減少趨勢(shì)，減少速率為0.2d/a。

④持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為 6～12h的霧出現(xiàn)頻次最多，占28.7%，其次是時(shí)長(zhǎng)為 0～3h的霧，占 27.8%，時(shí)長(zhǎng)3～6h的霧占24.7%。時(shí)常超過(guò)24h的霧頻次較小，僅占 4.3%，但超長(zhǎng)時(shí)間的霧更會(huì)給港口船舶進(jìn)出港動(dòng)態(tài)帶來(lái)嚴(yán)重影響。